EJEMPLO DE APLICACIÓN DE DISEÑO DE PAVIMENTO AASTHO 93

DISEÑO ESTRUCTURAL DEL PAVIMENTO __________________________________________________________________

4. METODOLOGIA DE DISEÑO (MÉTODO AASHTO 93)

El método AASHTO es un método de regresión basado en resultados empíricos de la carretera de

prueba AASHO construida en los años 50.

El procedimiento de diseño se realiza suponiendo un número estructural del pavimento efectuando

tanteos analíticamente hasta equilibrar la expresión de diseño o a través de nomogramas. El número

estructural de un pavimento se obtiene del producto de ciertos coeficientes de Resistencia Relativa

de cada una de sus capas constituyentes, de acuerdo al tipo de material. La ecuación básica de

diseño propuesta por AASHTO 93, es la siguiente:

Log10 (W 18)=ZR×SO+9 .36×Log( SN+1 )−0 .20+Log10 [ ΔPSI

4 .2−1.5 ]0 .4+1094

(SN+1 )5.19

+2.32×Log (M r )−8 .07

La ecuación básica de diseño propuesta por AASHTO 93, es la siguiente:

Donde:

W 18 = TráficoZR = Desviación Estándar NormalSO = Error Estándar Combinando de la predicción del tráficoΔPSI = Diferencia entre la serviciabilidad inicial (Po) y final (Pt )M r = Módulo Resilente de la sub – rasante (Psi)SN = Número estructural indicativo espesor total del pavimento

SN=a1D1+a2D2m2+a3D3m3

a i = Coeficiente estructural de la capa iDi = Espesor de la capa i

EJEMPLO DE APLICACIÓN DE DISEÑO DE PAVIMENTO AASTHO 93

mi = Coeficiente de drenaje de la capa granular i

4.1 Parámetros de Diseño

4.1.1 Período de Diseño

TIPO DE CARRETERA AÑOS

Autopistas urbanasCarretera de alto tránsitoCarretera de bajo tránsito

30-5020-5015-25

4.1.2 Tránsito

El diseño considera el número de ejes equivalentes (ESAL) para el período de análisis

(W 18 ) en el carril de diseño. A partir de conteos vehiculares y conversión a ejes

equivalentes, el diseñador debe afectar el ESAL en ambas direcciones por factores

direccionales y de carril (si son más de dos), aplicando la siguiente ecuación:

Donde:

: Tránsito acumulado en el primer año, en ejes equivalentes sencillos de 8.2 ton, en el carril

de diseño.

: Factor de distribución direccional; se recomienda 50% para la mayoría de las carreteras,

pudiendo variar de 0.3 a 0.7, dependiendo de en qué dirección va el tránsito con mayor

porcentaje de vehículos pesados.

: Ejes equivalentes acumulados en ambas direcciones.

: Factor de distribución por carril, cuando se tengan dos o más carriles por sentido. Se

recomiendan los siguientes valores:

Factor de distribución por carril.

Nº DE CARRILES EN PORCENTAJE DE W18 EN EL

EJEMPLO DE APLICACIÓN DE DISEÑO DE PAVIMENTO AASTHO 93

CADA SENTIDO CARRIL DE DISEÑO

1 1002 80-1003 60-804 50-75

Cálculo del Tráfico durante el primer año de servicio

DESCRIPCIÓN Nº VEH/DÍA

Nº VEH/AÑO FACTOR CAMIÓN

ESAL

VEHICULOS LIGEROS 55829 20373935 0.0202 411553.49

C2B3C3B4

1505150268144

549325547509782052560

2.28381.72381.72383.64501

1254548.4494378.05168622.116191581.726

T2S3T3S2T3S3C4R2

12410612915

4526038690470855475

2.942562.942562.811982.81198

133180.266113847.646132402.07815395.5905

TOTALES 58260 2515509.39

ESAL (1VIA) 18 Kips =2 .52×106

para el primer año

Factor Direccional = DD = 50% (Vía de dos direcciones)

Factor de Distribución de Carril = DL = 100% (se considera un carril en cada

dirección)

Cálculo del Tráfico durante el primer año en el Carril de Diseño

ESAL = 2 .52×106

X 0.5 X1

Cálculo del Tráfico para el Período de Diseño de 20 años

ESAL = 1 .26×106

EJEMPLO DE APLICACIÓN DE DISEÑO DE PAVIMENTO AASTHO 93

Tasa de crecimiento (r) = 3%

Este factor se estima en base a las proyecciones de crecimiento poblacional y económico en

el área de influencia el del tramo de carretera que se reflejaran en incremento del tráfico y

también en la modificación del tipo de vehículos que circulan por el tramo.

Período de diseño (n) = 20 años

ESAL para el primer año = 1 .26×106

ESALDISEÑO=ESAL×[ (1+r )n−1r ]

4.1.3 Factor de confiabilidad R

Con el parámetro de Confiabilidad “R”, se trata de llegar a cierto grado de certeza en el

método de diseño, para asegurar que las diversas alternativas de la sección estructural que

se obtengan, durarán como mínimo el período de diseño. Se consideran posibles

variaciones en las predicciones del tránsito en ejes acumulados y en el comportamiento de

la sección diseñada.

Niveles Sugeridos de Confiabilidad (R) para varias Clasificaciones Funcionales

Clasificación Funcional Nivel recomendado de confiabilidadUrbano Rural

Interestatal y otras vías 85 – 99.9 80 – 99.9 Arterías principales 80 – 99 75 – 95 Colectores 80 – 95 75 – 95 Local 50 – 80 50 – 80

A continuación se presenta algunos valores de confiabilidad propuestos para nuestra zona.

Niveles Sugeridos de Confiabilidad

Tipo de Pavimento Confiabilidad (R)

Autopistas 90%

ESALDISEÑO=5.03×106

EJEMPLO DE APLICACIÓN DE DISEÑO DE PAVIMENTO AASTHO 93

Carreteras 75%Rurales 65%Zonas Industriales 60%Urbanas Principales 55%Urbanas Secundarias 50%

4.1.4 Desviación Estándar Normal (ZR )

La desviación estándar normal está en función de la confiabilidad del proyecto, R.

Valores de Desviación Estándar Normal

ConfiabilidadR (%)

Desviación Estándar

Normal ZR

5070758090919293

99.999.99

0.000-0.524-0.674-0.841-1.282-1.340-1.405-1.476-3.090-3.750

4.1.5 Error estándar por efecto del tráfico y comportamiento (SO )Los valores de “So” en los tramos de prueba de AASHTO no incluyeron errores en la

estimación del tránsito; sin embargo, el error en la predicción del comportamiento de las

secciones en tales tramos, fue de 0.35 para pavimentos flexibles y 0.25 para los rígidos, lo

que corresponde a valores de la desviación estándar total debidos al tránsito de 0.35 y 0.45

para pavimentos rígidos y flexibles respectivamente

4.1.6 Índice de Serviciabilidad

El cambio o pérdida en la calidad de servicio que la carretera proporciona al usuario, se

define en el método con la siguiente ecuación:

PSI = Índice de Servicio Presente

EJEMPLO DE APLICACIÓN DE DISEÑO DE PAVIMENTO AASTHO 93

ΔPSI = Po-Pt

Donde:

ΔPSI = Diferencia entre los índices de servicio inicial u original y el final o Terminal deseado.

Po = Índice de servicio inicial (4.5 para pavimentos rígidos y 4.2 para flexibles).

Pt = Índice de servicio terminal, para el cual AASHTO maneja en su versión 1993

valores de 3.0, 2.5 y 2.0, recomendando 2.5 ó 3.0 para caminos principales y 2.0

para secundarios.

Se hace notar que aún en la versión actual, AASHTO no ha modificado la escala del índice

de servicio original de 0 a 5 para caminos intransitables hasta carreteras perfectas,

respectivamente. Sin embargo, se sugiere que el criterio para definir el índice de servicio

terminal o mínimo de rechazo (menor índice tolerado antes de realizar alguna operación de

rehabilitación, reencarpetado o reconstrucción) esté en función de la aceptación de los

usuarios de la carretera.

Para el caso de diseños de pavimentos en climas muy extremosos, en especial los fríos, la

guía de diseño del método actual recomienda evaluar adicionalmente la pérdida del índice

de servicio original y terminal debida a factores ambientales por congelamiento y deshielo,

que producen cambios volumétricos notables en la capa subrasante y capas superiores de

la estructura del pavimento.

Serviciabilidad

Índice de Servicio Calificación

5 Excelente4 Muy Bueno3 Bueno2 Regular1 Malo0 Intransitable

EJEMPLO DE APLICACIÓN DE DISEÑO DE PAVIMENTO AASTHO 93

La selección del PSI más bajo permisible o Índice de Serviciabilidad Terminal (Pt ) , está

basado en el Índice mas bajo que será tolerado antes que se haga necesaria una

rehabilitación, refuerzo superficial o reconstrucción. Se sugiere un índice de 2.5 ó mayor

para el diseño de carreteras principales y de 2.0 para las carreteras con menores volúmenes

de tráfico.

Se selecciona una serviciabilidad terminal de Pt = 2.5

Se selecciona una serviciabilidad inicial de Po = 4.2

4.1.7 Módulo de Resiliencia, CBR de la Sub-base granular, CBR de la Base y Módulo

Elástico del Concreto Asfáltico

Modúlo de Resilente del suelo de la subrasante

La correlación se da en la siguiente relación:

Mr=1500×CBR (psi)

Mr=10 .3×CBR (Mpa)

. ASSHTO propone las siguientes:

Mr=17 .6×CBR0 .64 1< CBR < 12 (Mpa)

Mr=22.1×CBR ¿¿ 0.55 ¿¿¿¿ 12 < CBR < 80 (Mpa)

Determinación de las características de los materiales de las capas del

pavimento

Módulo resilente efectivo de la Sub – Rasante Tramo Av. Circunvalación – jr. San Isidro

EJEMPLO DE APLICACIÓN DE DISEÑO DE PAVIMENTO AASTHO 93

M r=22 .1×CBR0 .55

M r=22 .1×300 .55

M r=143 .49Mpa

M r=143 .49Mpa(145.631Psi1Mpa )M r=20896 Psi

Módulo resilente efectivo de la Sub – Rasante TRAMO III

M r=22 .1×CBR0 .55

M r=22 .1×30 .55

M r=40.44 Mpa

M r=40.44 Mpa(145 .631Psi1Mpa )M r=5889 .3 Psi

CBR de la sub-base

CBRsub−base=60%

CBR de la base

CBRbase=74%

Módulo Elástico del Concreto Asfáltico

E=400000 psi

4.1.8 Coeficientes de Capa

Es un valor numérico asignado a cada capa de material que conforma la estructura del

pavimento, en función de su módulo de elasticidad ó CBR respectivo.

DESCRIPCION E CBR

Coef. de Capa

a1 400000 -- 0.42

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a2 ---- 74 0.137

a3 ---- 60 0.13

0.118

4.1.9 Coeficiente de Drenaje

Capacidad del drenaje para remover la humedad.

CALIDAD DEL DRENAJE AGUA REMOVIDA EN:

Excelente 2 horasBueno 1 díaRegular 1 semanaPobre 1 mesMalo agua no drena

Valores mi recomendados para modificar los

Coeficientes estructurales de capa de bases y sub-bases sin tratamiento, en

pavimentos flexibles.

m2=m1=1 .0

4.2 Diseño Estructural del Pavimento

4.2.3. Cálculo de Número Estructural :TRAMO AVENIDA CIRCUNVALACION – JR

SAN ISIDRO

Calidad del Drenaje

Porcentaje de Tiempo al cual está Expuesta la Estructura del Pavimento a Niveles de Humedad Próxima a la SaturaciónMenor del 1% 1 - 5% 5 – 25% Mayor del 25%

ExcelenteBuenoRegularPobreMuy Pobre

1.40 – 1.351.35 – 1.251.25 – 1.151.15 – 1.051.05 – 0.95

1.35 – 1.301.25 – 1.151.15 – 1.051.05 – 0.800.95 – 0.75

1.30 – 1.201.15 – 1.001.00 – 0.800.80 – 0.600.75 – 0.40

1.201.000.800.600.40

EJEMPLO DE APLICACIÓN DE DISEÑO DE PAVIMENTO AASTHO 93

M r Efectivo del suelo de fundación : 5889.3 PsiConfiabilidad : 75%Desviación Standard Total : 0.45Pérdida de Serviciabilidad : 1.7

Tráfico Acumulado : 5 .03×106

Número estructural = 4.44

4.2.3 Cálculo de Espesores

TRAMO AVENIDA CIRCUNVALACION – J4R SAN ISIDRODESCRIPCION Coef. de Capa Coef. De Drenaje ESPESOR (pulg)Carpeta asfáltica 0.42 3Base 0.118 1 8Sub-base 0.13 1 8Capa Anticontaminante 0.12 4Mejoramiento de sub rasante

0.11 1 12

SN ASUMIDO 4.604

EJEMPLO DE APLICACIÓN DE DISEÑO DE PAVIMENTO AASTHO 93

Finalmente el diseño de la estructura del pavimento propuesto quedará de la siguiente

manera.

CAPA PAVIMENTO FLEXIBLETRAMO: AV. CIRCUNV. – JR. S. I.

Carpeta Asfáltica 3"Base 20 cmSub-base 25 cmCapa Anticontaminante 10 cmMej. De Sub Rasante 30 cm